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无线Mesh网综述Write by -IAN F.AKYILDIZ, 乔治亚州技术学院XUDONG WANG, KIYON 等 -由中南大学06级研究生朱腾飞、周强强（QQ：36691880）提供翻译摘要无线mesh网（WMNs）是下一代无线网络的一项关键技术。由于比其他无线网络具有优势，WMNs发展迅速并具有广泛的应用。但是这一领域仍然存在着许多技术问题。为了便于更好的理解在WMNs中遇到的挑战，本文详细调查了当前WMNs的各种协议和算法。此外为了能启发这一领域新的研究思路，还讨论了各个协议层的开放性问题。1 引言无线mesh网（WMNs）是一种动态自组织和自配置网络，网络中的所有节点自动建立一个ad hoc网络并维护网络的连通性。WMNs包含了两种类型的节点：mesh路由器和mesh客户端。mesh路由器除了具有传统无线路由器所具有的网关/网桥功能外，还包括额外的路由功能以支持mesh网。通过多跳通信，mesh路由器可以以相对较低的发射功率实现相同的覆盖范围。为了进一步提高mesh网的灵活性，mesh路由器通常具有以相同或不同无线接入技术实现的多个无线接口。尽管具有这些差异，mesh路由器和传统的无线路由器通常是建立在相同的硬件平台上。mesh路由器具有最小的移动性，并形成骨干网供mesh客户端接入。因此，尽管mesh客户端也可以作为mesh网的路由器来工作，但它们的硬件和软件平台要比mesh路由器简单的多。例如，用于mesh客户端的通信协议可以是轻分量的，mesh客户端中并不存在网关或网桥的功能，而只需要单一的无线接口，等等。在mesh网中除了mesh路由器和mesh客户端外，mesh路由器中的网关/网桥功能可以使WMNs与其他网络集成。传统的具有无线接口卡（NICs）的节点可以直接通过mesh路由器接入到WMNs。没有无线NICs的客户端可以通过以太网等来连接到mesh路由器以接入WMNs。因此，WMNs将极大的有助于用户随时随地保持在线。因此，WMNs并不是另一种形式的ad-hoc网络，而是ad-hoc网络功能的扩展。这就为WMNs带来了很多的优点，例如低连接成本，简单的网络维护，健壮性，可靠的服务覆盖，等等。故而，WMNs除了被传统的ad-hoc网络应用方面所广泛接受外，还在其他许多应用中被快速商业化，如宽带家庭网络，社区网络，建筑物自动控制，高速城域网以及企业网等。到目前为止，一些公司已经实现了这一技术并提供无线mesh网产品。在一些大学的研究实验室里已经建立了测试床。但是，要使WMN尽可能完善，还需要大量的研究工作。例如，已有的MAC和路由协议还不适用于大规模网络；随着网络节点数目以及通信跳数的增多，网络吞吐量显著下降。因此，需要加强WMN中现有的协议或重新设计新的协议。有些学者已经开始从无线mesh网的角度重新研究已有的无线网络的协议设计，特别是IEEE802.11网络，ad hoc 网络，以及无线传感器网络。工业标准小组，像IEEE802.11,IEEE802.15以及IEEE802.16，正在积极的为WMNs定制新的规范。本文介绍了WMNs中协议和算法研究的最新进展，目的在对这一技术中的研究挑战提供一个更好的理解。本文的其余部分组织如下：首先介绍WMNs的新的体系结构，意在强调WMNs的特点及影响协议设计的关键因素。然后详细的介绍了WMNs最新进展方面的研究，重点指出了开放研究问题，最后则是对全文的总结。2 网络体系结构及关键设计因素2.1 网络结构WMNs的网络结构可以被分为三类：基础设施/骨干WMNs。在这种结构中，mesh路由器为客户端形成一个基础设施网，如图1所示，其中虚线和实线分别表示无线和有线链路。除了通常所采用的IEEE802.11技术外，WMN基础设施/骨干网还可以通过多种类型的无线电技术来搭建。mesh路由器之间形成一个具有自配置自愈链路的mesh网。通过使用网关功能，mesh路由器可以连接到Interne上。这种方法也被叫做“基础设施mesh化”，为传统的客户端提供一个骨干网，并通过网关/网桥的功能使得WMNs可以与其他现有网络进行集成。带有以太网接口的传统客户端可以通过一条链路连接到mesh路由器。对于与mesh路由器采用相同无线电技术的传统客户端，它们可以直接和mesh路由器通信。如果两者采用的是不同的无线电技术，则客户端必须与基站通信，基站再通过以太网连接到mesh路由器。图1 WMNs的基础设施/骨干网客户端WMNs。客户端mesh化提供了客户端设备间的一种对等网络。在这种类型的结构中，客户端节点组成实际的网络，实现路由和配置功能，同时为客户提供终端用户应用。因此，mesh路由器在这类网络中并不是必需的。客户端WMNs通常在终端设备上采用同一种无线电技术来组网，因此客户端WMN通常与传统的ad hoc网络相同。但是，由于终端用户必须实现额外的功能如路由和自配置，与基础设施mesh化相比，客户端WMNs提高了对终端用户设备的要求。混合WMNs。这类结构结合了基础设施和客户端mesh化，如图2所示。mesh客户端既可以直接通过与其他mesh客户端的mesh连接直接接入网络，也可以通过mesh路由器接入网络。混合WMNs中的基础设施网提供了到其他网络的连接，例如Internet，Wi-Fi，WiMAX,蜂窝网，以及传感器网络等，而客户端所具有的路由能力则提高了WMNs中的覆盖性和连通性。图2 混合结构的WMNs由于混合结构包含了WMNs的所有优点，因此下面提到的WMNs指的是混合结构的WMNs，其主要特点如下：l WMNs支持ad hoc网络，并且具备自形成，自愈和自组织能力。l WMNs是多跳的无线网络，但是需要通过mesh路由器提供基础设备/骨干网。l mesh路由器具有较小的移动性，主要实现路由和自配置功能，可以有效减少网络客户端和其他端节点的负担。l 通过基础设施可以较容易的提供端节点的移动性支持。l mesh路由器集成了不同类型的网络，包括有线和无线网络。因此，多种类型的网络接入共存于WMNs。l mesh路由器和mesh客户端的功率消耗约束不同。l WMNs并不是独立存在的，需要与其他无线网络兼容，并能互操作。因此，WMNs是ad hoc网络功能的扩展，而不仅仅是另一种类型的ad hoc网络。这些额外的功能使得为实现WMNs，有必要研究新的算法和设计原则。2.2 关键设计因素影响WMNs性能的关键因素可以归纳如下：无线电技术。近年来已经提出了许多方法用来提高无线系统的容量和灵活性。典型的方法包括定向天线和智能天线，多输入多输出（MIMO）系统，以及多天线/多信道系统。为了进一步提高无线电技术的性能并通过上层协议对其进行控制，更先进的无线电技术被用于无线通信，例如可重配置无线电技术、频率灵敏/感知无线电技术、软件无线电技术等。尽管这些技术仍然处于初级研究阶段，但是由于其具有的动态控制能力，有望成为无线网络将来的平台。这些先进的无线电技术都要求高层协议设计的创新，尤其是MAC和路由层协议。可扩展性。可扩展性是WMNs中的一个关键要求。如果不支持这种特性，网络性能将会随着网络大小的增加而显著下降。比如，路由协议将没有能力找到一个可达的路径，传输层协议可能会释放连接，MAC协议可能遭受吞吐量的显著下降。为了保证WMNs的可扩展性，所有从MAC层到应用层的协议都需要具有可扩展性。mesh连通性。WMNs的许多优点都是源于WMNs具有的mesh连通性。为了保证可靠的mesh连通性，需要采用网络自组织和拓扑控制算法。拓扑感知MAC协议和路由协议可以有效提高WMNs的性能。带宽和QoS。不同于传统的ad hoc网络，WMNs的大多数应用都是具有不同Qos要求的宽带服务。因此，除了端到端的传输延迟和公平性以外，通信协议还需要考虑更多的性能指标，如延迟抖动、总吞吐量和每个节点的吞吐量，以及丢包率。安全性。尽管近年来已经提出了许多用于无线局域网的安全机制，但是它们不能完全被应用于WMNs。例如，由于WMN的分布式系统结构，没有一个集中的认证机构用来分发WMN中的公钥。现有的针对ad hoc网络的安全机制可以用于WMNs。然而，大多数用于ad hoc网络的安全方案都没有成熟到可以在实践中实现。此外，WMNs和ad hoc所具有的不同体系结构通常使得适用于ad hoc网络的方案在WMNs中无效。易用性。协议的设计必须使得网络能够尽可能的自治。此外，还需要开发网络管理工具以有效的维护WMNs的运转，监视网络性能以及配置网络参数。这些工具与网络协议的自制机制相结合，能够快速配置WMNs。兼容性和互操作性。WMN要求具备的一个特性就是同时支持传统客户端和mesh客户端的网络接入。因此，WMNs需要后向兼容传统客户端节点。这就要求mesh路由器必须具备集成不同网络的能力。3 进展及研究挑战WMNs的特点及关键设计因素为通信协议的设计带来了许多的挑战，其中通信协议包括从物理层到应用层的各层。尽管WMNs的研究和发展在近几年取得了一些进展，但仍然存在着许多挑战：理论上的网络容量仍然未知，各个层的协议还需要进行改进，网络管理需要设计新的机制，以及网络安全依然有待提高。3.1 网络容量到目前为止，已经调查了许多针对ad hoc网络容量的研究工作。考虑到WMNs和ad hoc网络的相似性，可以利用调查结果来研究WMNs的容量。文献1中提出ad hoc 网络容量的下限和上限范围，该文提出了一种重要的思路作为提高ad hoc容量的方法：节点只需要与邻居节点通信。为了实现这一思路，该文提出了两种主要的机制：l 通过配置中继节点来增加吞吐量。l 节点需要分组成不同的簇。也就是说，节点与其他非邻居节点的通信必须通过中继节点或者簇。然而，考虑到分布式系统例如ad hoc或WMNs，节点的分簇或中继节点的分配是一个具有挑战性的问题。文献1中给出的思路在文献2中也有所体现。文献2中提出了一种通过利用节点移动性来增加ad hoc 网络容量的机制。源节点只有在目的节点靠近它的时候才发送数据给目的节点。因此，利用节点的移动性，节点仅仅只与它的邻居节点通信。但是这种机制具有一个局限性：传输延迟相当大，且节点需要的缓存可能变得无穷大。文献1,2中的分析方法有效的促进了对无线网络容量的研究进程。这些方法的一个局限在于没有适当的考虑网络协议。不同的媒体访问控制，功率控制以及路由协议对无线网络容量具有重要的影响作用。但是，在1,2的分析方法中，仅仅只是提出了非常单一的模型。文献1中所分析的方法的另一个局限在于，理论上的容量范围是基于渐进的分析。这些结果不能揭示一个给定节点数量的网络的精确容量，尤其当网络中的节点数目很小的时候。这是由于在渐进的分析中，网络大小或者节点密度并不匹配WMNs中实际的数值。无论一个WMN如何配置，网络大小和节点密度都不可能是无穷大的。此外，由于WMNs和ad hoc网络的差异，针对ad hoc的分析结果并不能被直接应用于WMNs。因此，需要针对WMNs的新的分析结果。3.2 分层的通信协议3.2.1物理层先进的物理层技术。一些先进的物理层技术已经被用于WMNs。现有WMNs的无线电技术通过结合不同的调制和编码速率，可以支持多种发射速率。在这些方式下，可以通过链路的适应性来提供自适应错误恢复。正交频分复用（OFDM）技术及超带宽技术等机制可以被用来支持高速率的数据发射。为了进一步增加容量及减轻衰退、延迟传播及多信道冲突造成的损害，提出了多天线系统例如天线多样性，智能天线以及多输入多输出（MIMO）系统等用于无线通信的技术。尽管这些物理层技术同样需要于其他无线网络，但是要把这些技术用于WMNs是一个更具挑战的问题。例如，在多个节点间进行mesh组网使得系统模型比传统的无线局域网中的MIMO系统或蜂窝网更加复杂。为了实现WMNs中更好的频谱利用和可行的频率规划，正在开发灵活的频率或有感知的无线电技术，以动态的获取还未使用的频带。FCC已经认可了这一有前景的技术并且迫切的促进它的详尽实现。在软件无线电平台上实现有感知的无线电技术是最有力的解决方案之一，因为无线电的所有组成部分，例如射频带宽，信道接入方式及信道调制都是可以编程实现的。尽管物理上的测试床已经可用，软件无线电平台目前还并不是一个成熟的技术。不过，从长远来看，它将是无线通信的一项关键技术，因为它能够使所有先进的物理层技术可编程实现。开放的研究问题。物理层的开放性问题包括两部分：l 需要进一步提高发射速率以及物理层技术的性能。需要除了OFDM或UWB以外的新的宽带发射机制，以实现大规模网络中较高的发射速率。多天线系统已经在几年前被提了出来。但是，它们的复杂性及开销过高而无法被广泛的接受用于商业化。频率-灵活技术仍然处于研究的早期阶段，在它们能被接受用于商业化使用前还有大量的研究工作等着完成。l 为了最充分的利用物理层提供的先进特性，高层协议，尤其是MAC层协议需要与物理层协议进行交互。因此，物理层的一些组建需要进行特定的设计，使得高层可以访问和控制它们。这就使得硬件设计更具挑战，并且促使低成本的软件无线电技术的创新。3.2.2 MAC 层WMNs中的MAC层不同于传统的无线网络中的MAC层：l WMNs中的MAC与多跳通信相关。l MAC是分布式的，需要相互协作，实现多对多的通信。l 需要采用网络自组织的方式在邻居节点和距离为多跳的节点间进行更好的协作。l 移动性较低，但是仍然影响MAC的性能。WMNs中的MAC协议可以被设计成作用于单一信道或同时作用于多个信道。单信道的MAC。在WMNs中通常可以采用三种方法来设计单信道的MAC协议。修改已有的MAC协议。比如说，在IEEE802.11mesh网中，可以通过调整CSMA/CA参数来进行改进MAC协议，例如竞争窗口的大小以及后台程序的修改。不过，这种解决方法仅能达到较低的端到端吞吐量，因为它并不能有效的减少邻居节点相互竞争的概率。跨层设计。这类设计中存在两种主要的机制：基于定向天线的MACs和带有功率控制的MACs。在第一种机制中，假定天线的覆盖范围是理想情况，则未被覆盖的节点将被消除。但是，由于是定向发射，将会产生更多的隐藏节点。这类机制同时还面临其他一些难题，例如在成本、系统复杂性、以及快速操作定向天线的实用性方面的问题。第二种机制利用低发射功率，改善了WMNs中频谱的空间重利用因素，因此减少了未被覆盖的节点数量，尤其是在密集的网络中。然而，隐藏节点的问题将会变得更加糟糕，因为较低的发射功率水平减少了潜在的冲突节点被探测出来的概率。完全创新的MAC协议。由于随机访问协议例如CSMA/CA等在多跳网络中的可扩展性不强，故这类协议不是一种有效的解决方法。因此，需要重新设计基于TDMA或CDMA的MAC协议。到目前为止，用于WMNs的TDMA或CDMA协议非常少，这主要是由于两方面的因素造成的。一方面，是设计一个分布式及协作的TDMA或CDMA的MAC协议具有的复杂性和成本。另一方面是基TDMA（或CDMA）MAC协议与现有的MAC协议共存所具有的复杂性。例如，在IEEE802.16中，原始的MAC协议是一个集中式的TDMA机制，但是用于IEEE802.16mesh的话则缺少一个分布式的TDMA MAC协议。在IEEE802.11 WMNs中，如何设计一个覆盖CSMA/CA的分布式的TDMA MAC 协议是一个值得研究但又富有挑战的问题。多信道MAC.为了进一步增加WMNs中的网络性能及网络容量，一种有效的方法就是使网络节点工作于多个信道上，而不仅仅只工作在某个固定的信道。依靠硬件平台，各种不同的多信道MAC协议需要被开发出来。多信道单收发器MAC.考虑到成本和复杂性，采用单一收发器无线电收发装置是一个首选的硬件平台。由于只有一个收发器可用，因此在每个网络节点中，某一时刻只有一个信道是活跃的。而不同的网络节点可以在不同的信道上同时收发数据。在这种情况下，为了协调网络节点间的数据发射，需要采用像文献4中的多信道MAC协议等协议。多信道多收发器MAC。在这种情况下，一个收发器包括多个并行的射频芯片以及基带处理模块，能够同时支持多个信道。在物理层的上层，只需要一个MAC层模块来协调多信道传输的功能。据我们所知，到目前为止，还没有提出用于WMNs的多信道多收发器的MAC协议。多收发器MAC.在这种情况下，网络节点拥有多个无线收发器，每个收发器都具有各自的MAC和物理层。这些收发器之间的通信完全独立。因此，需要一种在MAC层之上的虚的MAC协议来协调各个信道上的通信，例如文献5 中的多收发统一协议（multi-radio unification protocol，MUP）。事实上，在这种情况下，一个收发器可以具有多个信道。不过，为了简化设计和应用，通常每个收发器只占用一个固定的信道。开放研究问题。以下是存在的主要的挑战：可扩展的MAC。大家都知道，在多跳ad hoc网络中的可扩展性问题仍然没有得到完全解决。大部分现有的MAC协议仅仅解决了可扩展性方面的一小部分问题，但同时又带来了其他的问题。为了从根本上解决MAC协议的可扩展性，需要提出新的分布式的协作机制来保证网络的性能（例如，吞吐量以及平均的QoS参数如延迟和延迟抖动）不会随着网络大小的增加而降低。显而易见，多信道MAC协议所能达到的网络吞吐量要比单信道MAC协议高。但是，要真正获得频谱功效并提高每个信道的吞吐量，可扩展的MAC协议需要考虑在多信道中的整体性能改善情况。因此，开发一个可扩展的MAC协议相对单信道MAC协议更具挑战性。MAC/物理 跨层设计。当物理层采用了先进的技术时，如MIMO和有感知的无线电技术，需要提出一些新的MAC协议，特别是多信道MAC协议，来有效利用物理层所提供的这种灵活便捷性。MAC层的网络集成。WMNs中的mesh路由器负责集成各种无线技术。因此，需要在MAC层中开发先进的网桥功能，使得像IEEE802.11、802.16、802.15等不同的无线电收发器可以无缝的共同作用。可重配置/软件 无线电收发器以及相关的无线电资源管理机制将会是实现这类网桥功能的最终解决方案。3.2.3 路由层尽管在ad hoc网络中有许多可用的路由协议，WMNs中的路由协议设计仍然是一个活跃的研究领域。我们认为一个用于WMNs的最优路由协议应具有下列特点：l 多项性能指标。许多现存的路由协议使用最小跳数作为选择路由的一项性能指标。这在许多情况下被证明是效率低下的。l 可扩展性。在一个较大的无线网络中设置和维护一条路径需要花费很长时间。因此，在WMNs中设计一个可扩展的路由协议是非常关键的。l 健壮性。为了避免服务中断，对于链路错误或拥塞情况，WMNs需要具有很好的健壮性。路由协议同时还要具有负载平衡的能力。l mesh基础设施的高效路由。考虑到mesh路由器具有较小的移动性以及不存在功率消耗的约束，mesh路由器之间的路由协议应该比ad hoc网络中的路由协议要简单的多。利用mesh路由器所提供的mesh基础设施，mesh客户端的路由协议也可以设计的比较简单。现有的针对ad hoc的路由协议已经考虑到了上述的一部分特点，但是没有一种协议考虑到上述的所有特点。下面将逐一对这些进行说明。多性能指标的路由协议。在文献6中研究了各种性能指标对一个路由协议的影响。其中，基于链路品质的路由（LQSR）根据链路质量的度量选择路由。分别采用三种性能指标：期望的传输数量（ETX），每一跳的RTT( Round-Trip Time，往返时间)，以及每一跳的数据包。文中把采用了这三种性能指标的路由协议与采用最小跳数作为性能指标的路由协议进行了性能比较。对于WMNs中的静止节点，ETX具有最佳性能，当节点移动时，采用最小跳数的路由协议，其性能比上述三种把链路质量作为性能指标的路由协议好。实验结果表明，当WMNs考虑了节点的移动性时，把链路质量作为路由协议的性能指标还是不够。多收发路由。文献 7提出了一种多收发LQSR（MR-LQSR）协议，在LQSR基础上结合了一项新的性能指标，即加权累计期望传输时间（WCETT）。WCETT同时考虑了链路的质量和最小跳数，在延迟和吞吐量方面能达到较好的平衡。MR-LQSR假定每个节点上的无线收发器都被调谐到了无冲突的信道上，分配了信道后再改变的情况很少。多路径路由。采用多路径路由的主要目的是为了更好的实现负载平衡以及提供高容错性。在源节点和目的节点之间挑选出多条路径，当某条路径上的链路由于差的信道质量或节点移动性等断开时，现有路径集中的另外一条路径就会被选定。由于不需要等待去建立一条新的路径，故端到端延迟，吞吐量及容错性都可以得到改善。但是，假定某个性能指标，则性能的改善情况取决于源节点和目的节点之间的节点分离情况。另一缺点就是多路径路由比较复杂。分层路由。在分层路由中8，一种确定的自组织机制被用来将网络节点分成不同的簇。每个簇有一个或多个簇头。簇中的节点可以通过一跳或多跳达到簇头。由于需要保持簇间的连通性，因此一些节点可以作为网关节点同几个簇相互通信。当节点密度较高时，分层的路由协议由于具有低负载，较短的平均路径和快速的路由建立过程，往往能达到较好的性能。不过，分层路由需要在性能和路由维护的复杂度方面进行折衷。此外，在WMNs中，mesh客户端由于其有限的能力，应该避免成为簇头。地理位置路由。与基于拓扑的路由机制相比，地理位置路由机制只利用邻近节点和目的节点的位置信息来传送数据包9。因此，地理位置路由相对于其他路由协议来说，受网络拓扑变化的影响较小。较早的地理位置路由算法是一类单路径贪婪路由机制，在这类机制中，数据包传送的方向由当前节点，它的邻居节点以及目的节点的局部信息（位置信息）决定。但是，所有的贪婪路由算法都存在一个共同的问题，即，数据传送是没有保证的，即使在源节点到目的节点之间存在路径。为了保证数据传送，最近提出了一种基于平面图的地理位置路由算法9。但是，这类算法通常比单路径贪婪路由算法具有更高的通信开销。开放研究问题。对于WMNs中的路由协议，仍然存在着一些需要解决的问题。可扩展性。分层路由协议由于其具有的复杂性和管理上的困难，只能部分的解决可扩展性这一问题。地理位置路由依赖于GPS或者类似定位技术的存在，这就增加了WMNs的复杂性和成本。因此，需要开发新的可扩展的路由协议。更好的性能指标。需要制定新的性能指标。同样，需要在路由协议中综合各种性能指标，使之实现最优的全面的性能。路由/MAC 跨层设计。路由协议需要与MAC层交互以改善路由协议的性能。采用第二层的多种性能作为路由协议的性能指标就是一个例子。但是，MAC层和路由层的交互太靠近，因此它们之间仅有的几个交换参数是不够充分的。将MAC层和路由层的某些功能进行合并将是一个有前景的方向。高效的mesh路由。通过利用mesh基础设施，需要为WMNs设计一种比ad hoc网络路由协议更加简单和有效的路由协议。3.2.4 传输层到目前位置，还没有提出专门用于WMNs的传输层协议。不过有很多用于ad hoc网络的传输层协议，研究这些协议有助于WMNs中传输层协议的设计。对于非实时的通信和实时的通信，需要不同的传输层协议。可靠的数据传输。可靠的传输协议可以被进一步的分为两类：TCP矢量（TCP variants ，TCP变体，TCP的扩展和修改）和新的传输层协议。TCP矢量（TCP变体，TCP的扩展和修改）通过考虑以下问题，改善了传统的TCPs的性能。非拥塞的数据包丢失。传统的TCPs没有区分拥塞和非拥塞的数据包丢失。因此，当非拥塞的丢失发生时，由于不必要的拥塞避免措施，网络吞吐量会快速下降。此外，当无线信道恢复正常时，传统的TCP并不能迅速恢复。故而可以使用一种反馈机制来区分不同类型的数据包丢失。未知的链路故障。由于所有的节点都是移动的，ad hoc网络中经常发生链路故障。对于WMNs，链路故障并不像ad hoc网络中那样严重，因为WMNs的网络基础设施避免了单点故障的问题。但是，由于mesh客户端的无线信道和移动性问题，链路故障仍然会发生。为了加强TCP的性能，需要检测出链路故障。网络的不对称。网络的不对称定义为这样一种情况，即网络的前向传送数据的带宽，丢包率及延迟明显不同于数据的反向传送。因此，网络的不对称影响了传输的ACKs（应答信号）。由于TCP非常依赖于ACK，TCP的性能会由于网络的不对称而有所下降。尽管存在一些如ACK滤波，ACK拥塞控制等机制用来帮助解决网络的不对称问题，它们能否被用于WMNs还有待研究。较大的RTT值的变化。考虑到WMNs中的移动性，不同的链路质量，变化的通信负载以及其他一些因素，路由的变化将会非常的频繁并将导致RTT的较大变化。这将降低TCP的性能，因为TCP的正常运转依赖于对RTT参数的平滑度量。为了进一步提高传输层协议的性能，已有学者开始研究全新的传输层协议。在文献10中，提出了一种用于ad hoc网络的ad hoc传输协议（ATP）。ATP中的数据传输是基于数率的，采用快速启动（quick-start）来评估初始速率。采用基于延迟的方法来进行拥塞检测，因此避免了拥塞数据丢失和非拥塞数据丢失的不明确性。此外，在ATP中，没有数据重发的超时设定，减弱了拥塞控制和可靠性。像ATP这样的新的传输层协议相对TCP 矢量而言达到了的更好的性能（例如延迟，吞吐量以及公平性）。但是，对于WMNs来说，采用一种全新的传输层协议并使不是最好的解决方法。WMNs将会与Internet 和其他许多网络进行集成，因此WMNs的传输层协议需要与TCPs兼容。实时的数据传送。为了支持端到端的实时通信，需要采用结合UDP的速率控制协议（RCP）。尽管已经有许多RCP在有线网络中被提了出来，但是还没有哪一种RCP能用于WMNs中。近年来，一种用于ad hoc网络的自适应检测速率控制（ADTFRC）机制被提了出来11，在该机制中，采用端到端的多种度量值共同检测的方法用于TCP友好（TCP-friendly）速率控制机制。但是，要真正地支持实时的多媒体数据传送，检测方法的精确性依然不够。此外，所有的由不同问题造成的非拥塞数据包丢失都以同样的方式发生11，导致了速率控制机制的性能下降。开放研究问题。为了在WMNs中能够可靠传输，除了要更好的解决提出的上述问题，还需要进一步解决一些其他问题。网络不对称的跨层解决方案。导致TCP性能下降的所有问题实际上都与下层协议有关。例如，路由协议决定了TCP数据和ACK信息的传送路径。为了避免数据和ACK信息之间的不对称，路由协议需要选择一条最优的路径用于传送数据和ACK信息。同样，链路层性能直接影响了分组丢失率。为了减少网络不对称的概率，MAC和错误控制机制需要将TCP数据和ACK信息对待。自适应TCP。WMNs将与Internet和各种无线网络集成，如IEEE802.11,802.16,802.15等。网络的异构性导致相同的TCP将不能适用于所有网络。而在不同的网络中应用不同的TCP是一种复杂且代价很高的方法。因此，需要为WMNs设计一种自适应的传输层协议。对于实时的数据传输，需要考虑WMNs的特点，设计一种全新的速率控制协议（RCP）。此外，需要设计新的丢包区别机制来与RCP进行配合。由于WMNs将集成多种无线网络和Internet，因此，同样需要一种自适应的速率控制机制。3.2.5应用层WMNs支持的各种应用可以被分为不同的类别：Internet 接入。Internet的多种应用为人们提供了重要的最新信息，使人们的生活更加便捷，并提高了工作和生产的效率。在家庭或小型商业环境中，最流行的网络接入方法仍然是通过DSL或电缆调制解调器或IEEE802.11接入点。与这些方法相比，WMNs具有许多潜在的优势：低成本，高速率，易安装。分布式信息存储和共享。在这类应用中，接入到Internet并不是必须的。用户只在WMNs内进行通信。基于对等的网络机制，用户可以存储大量的数据到其他用户的硬盘上，或者从其他用户的硬盘上下载文件，或者在位于分布式数据库的服务器中查询和获得数据。在WMNs上的用户也可以聊天，通过视频电话交谈，或者一起玩游戏。通过过多种无线网络的信息交换。例如，蜂窝电话可以通过WMNs与Wi-Fi电话通话，或者用户可以在一个Wi-Fi网络上监控无线传感器网络中的多个传感器的状态。因此，在应用层主要有三个研究方向。改进现有的应用层协议。在无线网络中，底层的协议无法对应用层提供完善的支持。比如，应用层感知到的数据包丢失并不总是零，数据包的延迟可能会有一个较大范围的抖动等。由于WMNs具有ad hoc 的多跳通信的特点，这些问题变得更加严重。这些问题将会导致在有线网络中能平稳运行的Internet应用程序在WMNs中失效。提出用于分布式共享的新的应用层协议。当前有许多对等协议可以用于Internet上的信息共享。但是，由于WMNs中有许多不同于Internet的特性，这些协议无法满足WMNs中的性能要求。为WMNs开发新型应用。这些应用必须能为用户带来巨大的利益，而且只有在WMNs上才能发挥最佳性能。此外，这些应用将使得WMNs是唯一的网络解决方案，而不仅仅只是无线网络的另一种替代方案。3.3 网络管理为了维护WMNs适当的运转，需要采用多种网络管理功能。移动管理。WMNs中需要一种分布式移动管理机制。不过，由于骨干网络的存在，用于WMNs中的分布式机制可以比移动ad hoc网络更加简单。如何利用骨干网的优势，为WMNs设计一种简便的分布式移动管理机制还需要进一步的研究。移动管理与各个网络层协议密切相关，故设计多层的移动管理机制是另一个研究热点。定位服务。定位服务是WMNs中期望具有的特点。定位信息可以加强MAC和路由协议的性能，并且有助于将来的一些与位置相关的应用。提出用于定位服务的精确或高效的算法仍然是一个热点问题。功率管理。WMNs中功率管理的目标随着网络节点的不同而不同。一般来说，mesh路由器不存在功率消耗的约束。功率管理主要用于连通性，冲突，频谱的空间重利用以及拓扑方面的控制。与mesh路由器不同，mesh客户端则希望协议具有能量有效性。因此，WMNs极有可能要求功率管理来对能量效率及网络连通性进行优化，这将是个复杂的问题。网络监视。许多功能都是在网络管理协议上运行的。在mesh节点尤其是mesh路由器上存在着对管理信息基础（MIB）的统计，这些统计信息需要汇报给一个或几个服务器以连续监视网络的性能。在服务器监视软件上运行的信息处理算法对这些统计数据进行分析，然后确定潜在的异常情况。根据从MIB上收集来的统计数据，数据处理算法可以完成许多其他功能，例如网络拓扑监视。在网络监控方面已经有了一些研究。为了减少开销，需要在mesh网拓扑中高效的传输监视数据。此外，为了正确检测出异常的运转并快速得出WMNs的多跳mesh网拓扑，需要研究新的数据处理算法。3.4 安全性与ad hoc网络类似，WMNs中依然缺乏高效且可扩展的安全方案，由于以下一些因素，它们的安全更容易受到威胁：分布式网络结构，共享的无线媒体信道和节点的脆弱性，网络拓扑的动态改变。在不同协议层的网络攻击会很容易造成网络崩溃。攻击可能发生在路由协议中，例如发送错误的路由更新。攻击者可能会潜入网络，假装成一个合法节点，但是并不执行必需的路由协议规范。 同种类型的攻击还有可能发生在MAC协议中。例如，用于IEEE802.11MAC中虚拟载波感知的后台程序和NAV（网络分配向量）可能会误用一些攻击节点，这将导致网络始终被这些恶意节点所拥塞。攻击者也可能通过密码原语的误用潜入网络。认证和授权是一种广泛接受的反攻击方法。对于无线局域网，主要是通过直接运行于接入点或网关的认证，授权，以及帐户（AAA）服务来考虑安全性。但是，AAA服务是通过集中式的服务器来执行的，例如RADIUS（拨入用户远程认证服务）。这种集中式的机制不适用于WMNs。此外，WMNs中的安全密钥管理相对无线局域网中的要困难的多，因为在WMNs中不存在集中式的授权，信赖的第三方，或者用于管理密钥的服务器。WMNs中的密钥管理需要采用一种分布式的安全的方式。因此，需要提出一种用于WMNs的分布式认证和授权以及安全的密钥管理机制。为了进一步保证WMNs的安全性，还可以考虑另外两种策略：将安全机制融合到网络协议中，例如安全的路由协议和安全的MAC协议。另一种策略则是开发安全监视和响应系统用于检测攻击，监视服务中断，并对攻击做出快速响应。对于一个安全的网络协议，需要一个包括多个协议层的安全机制，因为安全性攻击往往会在不同的协议层同时发生。对于安全监视系统，需要设计一个跨层的结构。如何设计和实现一个包括跨层安全网络协议以及各种入侵检测算法的实际的安全系统，将是一个富有挑战性的研究主题。3.5 跨层设计分层的协议设计方法并不一定是最优的方案，尤其对于WMNs而言。WMNs的物理信道在容量，比特错误率等方面都是变化的。尽管可以采用不同的编码，调制及错误控制机制来改善物理信道的性能，却没有办法保证固定的信道容量和零丢包率，或者是可靠的物理连接。为了能提供满意的网络性能，需要使MAC层协议，路由协议及传输层协议与物理层进行交互。由于WMNs具有ad hoc的特点，其网络拓扑由于移动性和链路失效会经常改变。这种动态的网络拓扑对各个协议层都有影响。因此，为了提高协议的效率，跨层设计变得必不可少，正如前面讨论各个协议层的开放研究问题时所指出的那样。跨层的设计可以通过两种方法来进行。第一种方法是通过考虑其他协议层的参数来提高本协议层的性能。典型上，可将低层的参数报告给高层。例如，MAC层的丢包率可以报告给传输层，这样TCP协议可以通过分组丢失情况来区分不同的拥塞。另一例子就是，物理层可以将链路质量报告给路由协议，将其作为路由算法的一项额外的性能指标。跨层设计的第二种方法是将几个协议融合成一个协议。例如，在ad hoc网络中，MAC协议和路由协议可以结合成一个协议以便更好的考虑两者的交互。第一种方法保持了各协议层之间的透明性，而第二种方法通过各协议之间的密切交互能达到更好的性能。在设计跨层协议时，有些问题必须要考虑到：由于破坏了协议层抽象而导致的跨层设计的风险，与现有的协议不相容，对将来网络的设计的无法预料的影响，以及维护和管理上的困难。结论尽管WMNs可以在现有的技术基础上进行组建，现有的WMNs方面的试验和实验证明，WMNs的性能还远远达不到期望的要求。像文中多处指出的那样，这一领域还有许多需要研究的问题。其中，可扩展性和安全性问题是最重要和最迫切的问题。可扩展性。从现有的MAC协议，路由协议及传输层协议来看，网络性能无论是从网络中节点的数量或者节点的跳数来说，都不具有可扩展性。为了减轻这一问题，可以在每个节点上采用多信道/多无线电收发器，或者设计具有更高发射速率的无线电技术。但是，这些方法并没有真正加强WMNs的可扩展性，因为实际上并没有提高资源的利用率。因此，为了实现可扩展性，非常需要为WMNs设计新的MAC协议，路由协议及传输层协议。安全性。WMNs在各个协议层都非常容易受到安全性攻击。当前的安全方案可能对某个特殊的协议层受到的特定攻击有效。但是，仍然需要一种全面的安全机制来抵御或反击在所有协议层上的攻击。此外，WMNs中必须具有自组织和自配置的特点。这就要求WMNs中的协议必须是分布的和协作的。然而，当前的WMNs只能部分地实现这一目标。由于在同一个mesh路由器中实现多个无线接口及相应的网关/网桥功能还存在困难，当前WMNs在集成不同的无线网络方面的能力还非常有限。尽管还存在这些开放研究问题，相信WMNs将会是最具前景的下一代无线组网技术之一。致谢作者感谢Weilin Wang 以及Michael Nova of Kiyon等人的建设性研究。参考文献1 P. Gupta and P. R. Kumar, “The Capacity of Wireless Networks,” IEEE